种子介电分选技术作为一门新兴的分选技术, 正得到越来越广泛的应用, 同时也吸引越来越多的科学工作者进行这一领域的研究。自从前苏联科学家Tarushkin (Витарушкин)等人在60年代提出种子介电分选思想后, 对于这项技术的理论研究以及相关领域的探索一直方兴未艾。如分选电场的建立与分析, 介电分选的机理, 电生物效应和介电常数的测试等等, 一直成为人们关注的热点。70~80年代, 生物物理学迅速向各门边缘科学的渗透, 对介电分选技术的优势和潜能开发无疑起到了推波助澜的作用。这时候国外已出现了较为成型的产品, 如前苏联的滚筒式介电分选机, 美国的电晕式静电分选机, 而国内亦有了试制阶段的介电分选装置。同时对介电分选机的加工对象———农、林、花、蔬菜种子的电特性研究也进一步拓深, 其中以学者Nelson的研究最为广泛和深刻。进入90年代, 颇具前景的种子介电分选技术引起了越来越多人的兴趣从而使对该技术的理论分析设备研制以及相关基础理论的探讨进入了一个新阶段。

1 种子的电磁场生物效应

种子介电分选技术需要的理论支持是电磁场生物效应。如果在电磁场中作为分选对象的种子, 其生物生理质量不是提高而是降低, 即电磁场对它起破坏作用, 那么这种介电分选也就失去了它的意义。电磁场是电场和磁场的总和, 它们既有联系又有区别。大多数试验表明, 在一定时间、一定电场强度下, 电场对大多数植物种子能产生正的生物效应, 即能提高种子的活力和发芽率, 增大发芽势。对种子在电场中的生物效应研究有很多, 国内如以前白希尧(1984)对静电处理多种蔬菜种子提高其活力的研究和解释; 张春庆(1990)对电晕场处理蔬菜种子的研究; 李思文(1992)对静电处理刺槐种子的研究, 到后来王克起(1997)、吴晓星(1997)、陈家森(1997)等人对电场处理农作林木种子的研究; 国外如Burke(1962)对烟草种子在射频电场下的效应的研究; Stone(1973)对棉花种子实施电处理后发芽率的研究; Nelson(1976)对电场处理苜蓿种子、林木种子(Nelson, 1978)的研究, 都取得了不少成果, 并分析和解释了种子的电生物效应。吴晓星的研究表明, 刺槐种子经不同条件的静电场处理后, 发芽率能提高2.6%~16.7%, 出苗率提高10.3%~20.6%, 活力指数增加6.7%~100.5%。陈家森进一步解释了种子电生物效应的机理, 他认为种子质量的改善是静电场使构成细胞的生物大分子的构象发生改变。植物细胞外侧有一层纤维素组成的细胞壁使粒子流难以深入细胞内部, 然而通过电场引起细胞周围水环境的理化特性的变化, 少量超氧阴离子自由基能促进其储能、排废、达到加快代谢的目的。同时, 电场下在种子体内产生的过氧化氢以及电场产生的臭氧又能导致种子霉变率下降。总之, 电场对种子的生物效应可以归结为提高种子活力、发芽率和发芽势, 促进呼吸作用, 提高淀粉酶活力, 加速种子淀粉的水解, 为种子萌发提供更多的能量; 提高超氧物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的活力, 改变生物膜透性, 加速新陈代谢, 从而提高萌芽种子的抗生。

对于磁场处理种子, 也有很多人作过研究, 种子的生物效应与经电场处理极为相似。卢升高(1990)等曾作过磁场处理种子的综合性的报道, 刘宏清(1990)则比较过电场和磁场对红麻种子活力的影响, 林亚珉(1994)也就静电场和脉冲磁场对农作物种子活力的影响作过比较, 他们都认为二者都能提高种子活力。而徐传骧等(1993)则认为, 电场对生物体(包括种子)的影响主要是通过外部电场的变化在体内产生感生电流而对生物体组织细胞、细胞核发生作用, 因此高频电场、脉冲电场的影响较恒定场要大。对于复合介质的种子, 静电场一般难以透入, 而磁场则容易进入, 故磁场对种子的影响较大。

种子介电分选往往采用工频交流电源, 这就使得分选的种子始终处于一个交变的电磁场中, 无论是电场作用或是磁场作用, 还是二者相互作用, 都必将改善种子的品质, 达到提高种子活力的目的。然而作为电介质的种子, 对其介电特性的分析却不能不依赖于电场。

2 种子介电分选装置与设备

介电分选技术(包括静电分选)始于食品工业和矿业, 它移植到种子加工业不过是几十年的事。王建中(1985)曾详细论述过静电分选技术的基本原理及应用, 也提到应用该技术分选种子的优点。对该技术应用研究最多的当属俄罗斯的Tarushkin, 他采用的滚筒绕线分选部件, 一直为众多的研究者所效仿。国内如别传爽(1987), 张敏华(1989)的介电分选装置设计, 船舶工业总公司设计的种子电力精选机(李毓玺, 1990), 国外如ИФбородин的介电选种机(肖尧荣译, 1989), 无不采用类似的分选部件。这些分选设备和装置有的采用高压直流电源, 利用所产生的高压静电场结合种子的介电性质和运动状态实现分选; 有的采用工频交流电源, 在相对较低的电压下就能实现种子的分级和清选。另一种形式的分选部件是采用电晕荷电的方式来设计的, 如窦伟国等(1987)设计的静电分选装置, Harmond(1961)的静电场清选种子装置, Krishnan(1985)的洋葱种子分选装置, 均是通过电晕荷电的方式, 利用分选物料介电常数不同而存在的电导性的差异, 实现种子的分选。

步入年代后种子介电分选技术又有了新的发展和进步分选装置和机构的设计有了不少的改进和变化。南京农大的李东江(1994)参考了前苏联制造的线圈式电力分级机和美国生产的电晕放电式静电选种机的特点, 同时结合静电场处理种子的装置, 设计了一种滚筒式静电选种机。种子的运动方式仍为随分选滚筒旋转的方式, 但是极化方式是采用一不与种子接触的负极板, 接上静电发生器后, 与滚筒构成一静电场来使种子极化的, 并利用极化力的差异实现种子的优劣分级。

国外以俄罗斯Tarushkin(1991)为首的专家也每每推出新型的种子介电分选设备。1991年, Tarushkin介绍了一种用于棉花种子的介电清选分级机, 并给出了该机的示意图和基本操作原理。试验表明这种机器效率高且能耗低。1994年, 他又推荐了一系列用于分选高活力种子的分选机:SD-3-2型、SDL-1型和SD-1型。经过这些机器进行介电分选, 能够有效地消除因种子损伤、保管不适或收割方式不当而引起的种子发芽率和出苗率低的问题。到了1996年, 他又讨论了种子介电分选的效率问题, 首先给出了两套种子清选分级装置, 第一套是由4种机型组成的介电分选机, 通过种子的电生理特性分选出高质量的种子; 第2套是由另外4种机型组成的摩擦式介电清选机, 从混杂的种子中清选出所需农作物种子。文章讨论了不同种子分选机和清选机的效率和产量, 认为种子介电分选机适合于小麦、芹菜、玉米和甜菜等农作物种子, 而介电清选机则对清选不同的蔬菜、牧草和花卉种子很有效。

不少国家的研究人员也开始涉足这一领域。匈牙利的Szendro(1994)利用电晕电极装置分选苋属植物种子, 取得很好的效果。他的工作装置主要包括电晕电极, 旋转接地滚筒电极, 滚筒清扫机构和分级集料箱。立陶宛的Pozeliene论述了强电场下种子分选的机理和效果, 他认为种子的差异是由于含水率、电阻率和相对介电常数的不同引起的。在仓式分选机中, 种子运动依赖于电晕场的大小、静电力、离子风强度和种子重力; 而在输送式分选机中, 电晕场大小、离心力和重力是主要因素。种子的分选由其电性质和机械性质共同决定, 利用电力分选机比气流分选机能节约5倍的能耗。印度人Yadav(1991)曾在国际农业机械化会议上作过关于静电种子分级的报告, 他在能使种子荷电的基础上设计了一种静电种子分选装置, 它能根据发芽率从种子样本中分选出高级和低级的种子, 同时也发现了经过高电压分选的种子比没有荷电的种子具有相当高的千粒重。

可以看出, 对种子介电分选机的研究已逐步走向多样化, 技术和手段日益完善成熟。

3 介电分选机理及分选电场的分析 3.1 介电分选机理

无论是由非极性分子还是极性分子构成的电介质, 它们在电场中都能被极化。非极性分子的极化率与电介质的性质和分子结构有关, 极性分子的极化率与分子的偶极矩和温度等因素有关(陈忠林1991)。具有恒定电矩的电介质置于电场中时, 将产生极化电荷并使偶极子部分地沿电场方向排列。若电场为非均匀电场, 则偶极子就处于力的不平衡状态, 反映到电介质上就是受到一个力的作用。大多数植物种子可看作是吸湿性电介质, 即失去自由水是电介质, 含自由水时是导体或半导体。种子通常由种皮、胚和胚乳构成, 占种子大部分重量的胚乳主要含有水分、糖类、脂类、蛋白质及其它含氮物和少量元素。淀粉、蛋白质等高分子有机化合物虽然含量多, 但它们属于非极性和弱极性分子, 而水是强极性分子, 介电常数较高, 容易被极化。

尚念科(1997)认为, 干燥的种子电阻率很高, 近似于电介质的性质。种子在电场中被极化后, 每一个分子都被极化并按顺序排列, 在与外电场垂直的两个方面上出现正、负电荷。但种子内部并不存在电荷的宏观位移, 电场撤消极化现象即消失。种子含水量较大时, 电阻率大幅度降低, 种粒呈导体性质。由于水分使种子内含物中的矿质营养呈离子状态, 所以处于电场中的种子会使体内的阴、阳离子向着与电场垂直的两个界面移动, 直到平衡为止。植物种子的这种特性, 为介电分选技术提供了基础理论, 也为分选电场的建立确定了指导思想。

种子介电分选所依赖的两个重要参数是种子电极化和重力。传统的采用风力或比重式分选的机械化分选技术常常是按照种子的物理特性即外形尺寸密度粒重飘浮速度表面光滑性等在物理场中的差异程度进行分选。而介电分选技术则是根据反映种子内部品质的种子电生理特性即种子活力, 利用弱极性非均匀电介质的种子在高压电场中受力不同、结合种子的物理机械特性综合实现分选的一种方法。种子重量与种子自身的物理性质有关, 也是种子质量的一个反映。电极化力与种子的介电特性和电场性质有关, 是介电分选区别于其它分选技术的关键。目前多采用的是双绕线圈滚筒式分选部件, 电源为高压直流电源或交流电源。滚筒转动时, 附着在线圈上的种粒在重力、电场力、磨擦力、支承反力及惯性力的共同作用下, 由于其介电性质和物理性质的不同而使它脱离线圈的角度不同, 从而实现了种子的分选。一般来说, 种子物理运动状态的确定容易一些, 也容易作出受力分析, 但加入电场后, 由于又添加了诸多影响因素, 加之电场的计算分析也比较复杂, 因而使种子的受力分析也变得复杂起来。别传爽对种子在双绕线圈中的受力状态作过详细的分析。他把种子与电场结构都作了很大的简化, 利用电场强度的叠加原理得出种子在电场中某点的场强。这样的计算是容易多了, 但却不能准确地反映出电场的分布情况, 从而也无法得知种子受力的实际情况。类似的假设也为张敏华等应用于试验计算中。

3.2 分选电场的计算及分选介质在电场中的状态分析

要较为精确的求解双绕线圈产生的电场强度, 需要知道电场中的电位函数, 同时为了分析上的方便, 也需要知道双导线的电容。孙林(1995)对于有介质包层的圆柱形平行双导线电容的计算作过许多工作。他采用模拟电荷法的思想, 使电位函数可以很简便地用对数级数的形式给出, 从而推出介质包层内的电位函数和自由空间场的电位函数分布式, 并导出了平行双层线间的电容表达式。这样, 对于介质包层内以及自由空间区域的场的分布都可以得到。

如前所述, 植物种子是一种电介质。对于电介质中电荷的受力状况, 西北建工学院的张玉海(1994)曾作过分析。他认为介质中的库仑定律与真空中的库仑定律原则上是有区别的。在非均匀外电场中, 有力作用在电介质的每一体积元上。此力等于作用在电介质中诸分子上各力的矢量和, 如以等效电偶极子代替分子, 则可以求出非均匀电场中作用在单个电偶极子上的合力。通过进一步计算分析, 得到作用在电介质电荷上的力正比于电场强度平方的梯度, 而不能简单地归结为用库仑定律表达的结论。而清华大学的邓新元(1995)则独辟蹊径, 提出电介质电场可以不用传统的根据电介质上的极化电荷, 即“荷”的观点来计算, 而是用“分子电流”即“流”的观点来计算电场, 从而可以筒化一些特殊的计算。他引用一个“等效电流”的概念, 根据电介质的电极化强度矢量, 再用由电流算磁感应强度的方法得到电位移矢量, 从而得出电介质产生的电场强度。借助这种方法, 可以计算作用在介质上的力。

莫克威(1996)的理论是带电体之间以引力为主。对于中性电介质物体, 虽然组成物质的带电微粒在电场作用下将发生移动(介质极化), 但物体所带总电荷为零。电介质极化的最终结果使中性物体成为电偶极子为主的电多极子。所处电场越强, 物体电偶极矩也越大, 能量降低越利害, 中性物体受到带电体电场作用越显著。由于这个力的产生与带电体电场有双重联系, 它的大小应与带电体上电荷平方成正比, 它随距离增减的变化率应高于场强随距离的变化率。这个力的方向应指向场强数值大的地方, 即由离带电体远处指向带电体近处, 且总是引力。

在介电分选中, 对分选对象的分析和处理是一个很复杂的问题。植物种子有两个特性, 一是非均匀性, 二是各向异性, 这都增加了种子在电场中受力分析的难度。以往介电分选试验中, 对种子的模型都作了简化处理, 把种子简单地当作一种内部均匀且各向异性的电介质。虽然这种简化无疑减少了许多繁琐的工作和复杂的计算, 但是却往往不能代表真实的种子性状, 从而导致分析与计算的结果与实际情况出入很大。对于各向异性介质中电场强度的计算, 苏武浔等人(1996)曾作过一些探讨。他利用各向异性静电势的普遍公式, 给出在线性各向异性介质中的静电场强度的普遍公式和高斯定理, 求出在电荷中若干种电荷分布的静电场, 充实了各向异性静电场的基本内容, 为介电分选中作为电介质的种子内部电场强度的分析计算提供了一种方法。通常, 对于复合电介质有效介电常数的研究是用静电学方法求解微粒子和偶极子矩, Taylor(1965)在这方面有过比较成熟的研究。然而, 由于种子内部介电性质及分布的复杂性使种子介电常数不能利用现有的理论进行很好的模拟

3.3 影响分选对象介电性质的因素

对植物种子介电常数影响最大的因素莫过于含水率。含水率的增大, 一方面增加了种子的重量, 另一方面亦增大了种子的介电常数, 成了左右种子在电场中受力大小的因素。更有甚者, 当含水率达到一定程度时, 种子内部的可溶性物质溶解于水, 产生可自由移动的离子, 使种子变成了导体, 这就完全改变了种子在电场中的反应状态和性质。关于种子含水率的影响, 国内外都有许多人从事这方面的研究。国内如钱新耀(1990), 别传爽等都描述过种子的含水率与介电特性之间的关系。许多有用的模型已被开发, 这些模型主要用来估计谷类和大豆的介电性质(戴克中, 1993)。国外以Nelson的研究最多, 他从50年代开始到90年代, 始终没有放弃过对农产品的介电性质及其影响因素的研究(Nelson, 1979; 1981), 他发现频率、含水量、种子密度和温度是影响介电性质的因素, 其中以含水量影响为最大。他通过试验数据进行统计回归, 获得了以频率、含水量、密度和温度为估计变量的一系列农业物料介电性质的数学模型(Nelson, 1985; 1992), 并且在研究颗粒状作物介电性质与容重的关系后, 得出颗粒状物料的介电常数平方根和立方根是容重的线性函数这一结论。其他如Kent(1977), Kraszewski(1978), Berbert(1996)等都作过这方面的研究。就普遍情况来看, 农业物料的含水率与其介电常数一般成正比关系, 但不同的研究对象有各自的相关关系表达式。

4 介电常数的测定方法及装置

种子介电分选与传统的分选方法最大不同之处就是引入了分选对象的介电常数这一概念, 介电常数是形成电极化力的前提, 分选效果是有介电常数参与作用的效果, 因此对分选效果的衡量就不得不考虑介电常数作用的影响; 反过来, 介电常数的确定, 也是在设计分选机时确定其他分选参数大小范围的重要依据。对于农作物种子介电常数的测定, 已有许多的方法, 但是由于种子外部的不规则性及内部的非均匀性, 导致对种子尤其是单粒种子的介电常数进行精确测量还没有很完善的手段。

种子介电性质的测量比较复杂, 而且测量方法也因使用频率或种子不同而有差别。通常是采用群体测量的方法, 将充满电容器电极间的空气改为填充种子, 则电容器的电容、阻抗、导纳和通过电容器的电流均会发生变化。通过测量上述指标可以获得种子的介电性质(应火冬, 1992)。有人还采用把种子碾成粉末, 利用张冶文(1989), 章新喜等(1994)提出的测量方式来测量种子的介电常数, 这样提高了被测物的填充率, 因而提高了测量精度, 但种子却遭到了不可恢复的破坏。

如前所述, 由于种子的介电性质与其含水率密切相关, 许多测量农业物料含水率的装置往往也就是测量其介电性质的设备。这种设备通常采用平行板电极电容器, 在射频(RF)范围内对种子进行非破坏性的测量, 通过阻抗分析仪得到电容、损耗因子、阻抗等一系列数值, 于是对介电常数的计算也就水到渠成了。为了保持种子的完整性以及测量的确定性。Nelson曾运用射频下的阻抗测量法实现对单粒种子含水率的测量, 再通过计算得到其介电常数(Nelson, 1993)。在这种情况下, 还要考虑把种子的测量厚度、种子在极板上的投影面积以及种子重量包含到测量中去。Kandala(1990)和Nelson(1995)都成功地将这种方法应用到对许多单粒农作物种子的测定。

由于测量技术的提高和相关科学的发展, 测量农业物料介电性质的方法也越来越多种多样。Lawrence(1989)采用计算机技术, 开发了一个自动测量物料介电性质的微机控制系统。Zoerb(1993)通过测量有种子流通过的平行板电容器的共振频率来实现对谷物含水率的连续测量。Kraszewski(1992)采用微波共振技术, 通过测量由谷物引起的衰减率和相应位移, 来测量连续流动的谷物介电性质。Berbert(1996)应用LCR测量仪, 同时测量出不同含水率下, 流经检测电极的谷物电容和电导, 实现了对谷物介电性质的在线测量。越来越丰富多样的测量技术表明, 实现对介电分选中种子介电常数的定性和定量的实时测量, 已不再是很困难的事情, 同时在探索种子介电性质与活力的相互关系上, 也迈出了很大的一步, 使我们对这种新型分选技术的前景充满了信心。

5 讨论与建议

尽管种子介电分选技术及其理论研究在年代取得了十分迅速的发展但目前仍存在许多值得思考和探讨的问题。

(1) 现有的种子电生物效应理论均建立在静电场(主要是电晕电场和匀强电场)的基础上, 而缺乏对交流电场效应的分析, 从介电分选技术的发展趋势看, 应着重谈论交流电场下种子的电磁生物效应机理及响应程度。

(2) 对种子理想介质模型的构造还不够健全, 过于粗糙。鉴于种子的不均匀性和各向异性性质, 以及形态结构不同的种子其介电性质差异很大, 不能用统一而简单的模型一概代之, 而应进行一定的分类, 分别构造其电介质模型。

(3) 由于种子介质模型的单一, 导致对种子在电场中的分析和计算过于粗放, 不能较为精确地表示种子极化电荷的分布、场强的分布和电场力的方向大小。

(4) 对于发生电场的绕线结构, 由于介电分选所要求的电压较高, 绝缘层也就较厚, 在计算电场时就必须考虑这一因素, 而不应仅把它简化为平行导线系统, 通过叠加原理来计算种子在该电场中所受的力。

显而易见, 以上问题的解决, 既是对介电分选技术理论研究的补充和完善, 也是促进这一技术向更高更深层次发展的必由之路